WO2011090159A1 - 蛋白質の分解活性を測定するためのプローブ試薬 - Google Patents

蛋白質の分解活性を測定するためのプローブ試薬 Download PDF

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WO2011090159A1
WO2011090159A1 PCT/JP2011/051089 JP2011051089W WO2011090159A1 WO 2011090159 A1 WO2011090159 A1 WO 2011090159A1 JP 2011051089 W JP2011051089 W JP 2011051089W WO 2011090159 A1 WO2011090159 A1 WO 2011090159A1
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degradation
probe reagent
peptide
cell
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宮脇敦史
平野雅彦
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独立行政法人科学技術振興機構
独立行政法人理化学研究所
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/34—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase
    • C12Q1/37—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase involving peptidase or proteinase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09—Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63—Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79—Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/85—Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for animal cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07K—PEPTIDES
    • C07K2319/00—Fusion polypeptide

Definitions

  • the present invention relates to a fluorescent probe reagent for measuring a specific proteolytic activity depending on the ubiquitin-proteasome system in living cells.
  • the ubiquitin-proteasome system is well known as one of the protein degradation pathways of cells.
  • a plurality of small proteins called ubiquitin are added in a chain to a denatured protein or a protein with abnormal folding.
  • This ubiquitin chain becomes a mark as a protein to be degraded, and is recognized and destroyed by the proteasome, which is a protein degradation apparatus.
  • This system removes abnormal proteins in cells.
  • the ubiquitin-proteasome system is not necessarily just a system for quality control of intracellular proteins. Even proteins that are structurally and functionally normal are decomposed according to the state of the cells at that time, and various cell functions are controlled by suppressing their activity.
  • the light intensity is affected by factors that do not depend on the protein degradation activity, such as uneven distribution of the probe reagent and uneven expression, cell and tissue morphology, quenching due to fading, uneven excitation light, etc. Quantitative measurement is difficult.
  • the amount of light decreases due to an increase in decomposition activity, there is a problem that the sensitivity of the detector is insufficient and the S / N is reduced, making accurate measurement difficult.
  • CBG68 luciferase showing green luminescence derived from a beetle and expressed in cells.
  • CBR luciferase showing red luminescence derived from the beetle was expressed in the same cells. The amount of luminescence of CBG68 increases or decreases according to the degradation activity of I ⁇ B ⁇ in the proteasome.
  • CBR luminescence was not affected and used as a control. They measure luminescence in a group of cells cultured in multi-well plates. To correct differences in luminescence due to differences in the number of cells between wells, the degradation activity of I ⁇ B ⁇ is adjusted to green / red. It was measured as a ratio of emission intensity (Non-patent Document 4). Although this method has improved quantitativeness compared to single-wavelength photometry, in order to express two probe molecules individually, the ratio of their expression levels, that is, the ratio of the luminescence intensity, is made uniform between cells. There is a problem that it is difficult.
  • luciferase and fluorescent protein used as labels there is a possibility that they are not uniformly distributed in the cells and the localization thereof is different. These are factors that reduce the accuracy, particularly when it is desired to measure the protein degradation activity at the single cell level.
  • An object of the present invention is to provide a fluorescent probe reagent for measuring a specific proteolytic activity depending on the ubiquitin-proteasome system in living cells.
  • Such a probe reagent overcomes the problems of conventional methods as described in the background art.
  • the present invention includes the following features.
  • Proteasome activity using the probe reagent according to any one of (1) to (6) above, the vector according to (8) above, or the transformed cell according to (9) or (10) above A method for screening a therapeutic agent for a disease associated with an abnormality in the ubiquitin-proteasome system, comprising measuring the activity of degrading the probe reagent protein in the ubiquitin-proteasome system in a cell in the presence of a candidate substance that controls the ubiquitin.
  • the present invention provides a probe reagent capable of measuring in real time the protein degradation activity in the ubiquitin-proteasome system in living cells (also referred to as “live cells”).
  • This probe reagent overcomes the problems caused by the probe reagents mentioned in the background art.
  • a degradation-stopping peptide By disposing a degradation-stopping peptide between two fluorescent proteins, a signal from one fluorescent protein can be obtained even when the reagent is degraded due to an increase in the degradation activity of the protein. As a result, high-precision measurement can be performed even when the decomposition activity increases. Since the two fluorescent proteins are present in one molecule, they are expressed in a 1: 1 ratio in any cell.
  • the structure of the probe reagent of the present invention is shown.
  • the structure of a probe reagent for searching for a degradation-stopping peptide is shown.
  • the site of p105 used as degradation stop peptide and spacer peptide is shown.
  • An example of fluorescence observation of a probe reagent for searching for degradation-stopped peptides is shown.
  • the result of the FRET measurement of the probe reagent for searching for a degradation stop peptide is shown.
  • * indicates that fluorescence was observed not only in the nucleus but also in the cytoplasm.
  • the time change of the fluorescence intensity ratio of the Geminin degron probe reagent in the cell nucleus and cytoplasm is shown.
  • Figure 3 shows time-lapse imaging of a Geminin degron probe reagent. The structure of an I ⁇ B ⁇ degron probe reagent is shown. 2 shows time-lapse imaging of an I ⁇ B ⁇ degron probe reagent. The time change of the fluorescence intensity ratio of the I ⁇ B ⁇ degron probe reagent in cells No. 1 to No. 4 is shown.
  • the probe reagent of the present invention is made of a protein, and as a structure, the fluorescent protein I from the N-terminal side, a peptide that stops the degradation of the protein, and a spacer peptide that provides a distance between the degradation-stopping peptide and the next fluorescent protein II , Fluorescent protein II, and a protein that undergoes degradation are linked to each other.
  • this probe reagent undergoes degradation from the C-terminal side, but its degradation is stopped by the degradation-stopping peptide.
  • the fluorescent protein I remains and the fluorescent protein II is decomposed and disappears. Therefore, the activity of degrading the protein can be measured by monitoring the change in the fluorescence intensity.
  • the probe reagent of the present invention is characterized in that it can be used to measure proteolytic activity by a ubiquitin-proteasome system in living cells.
  • the proteasome is a proteolytic device possessed by cells. It has a barrel-shaped structure and has an active site of protease in its lumen. Proteins that are degraded by the proteasome are modified by polyubiquitination by the action of ubiquitin ligase and the like. The proteasome recognizes the protein to which this mark is added, unwinds its three-dimensional structure, takes it into the lumen, and destroys it to a peptide of several amino acids.
  • p105 which is one of the components of the transcription factor NF ⁇ B
  • p50 is one of the components of the transcription factor NF ⁇ B
  • p50 moves to the nucleus and promotes the transcriptional activity of the gene. That is, it can be said that NF ⁇ B uses the proteasome degradation activity to control ON / OFF of its transcriptional activity.
  • the probe reagent of the present invention utilizes a limited degradation reaction in the proteasome, thus stopping the degradation of the protein in the middle. Assuming that the fluorescent protein having a ⁇ -barrel structure is tightly-folded-domain, and combining it with a peptide having a simple-sequence sequence, a probe reagent that stops the degradation in the proteasome was prepared.
  • This probe reagent can be degraded by two types of fluorescent proteins with different excitation and / or fluorescence wavelengths, a peptide that stops degradation, a spacer peptide that keeps a distance between the degradation-stopping peptide and the next fluorescent protein, and proteasome It is composed of five regions of the protein to be received (referred to as “degron protein”).
  • the probe reagent has a structure in which these five regions are linked as one amino acid chain. Each region is arranged in the order of fluorescent protein I, degradation-stopping peptide, spacer peptide, fluorescent protein II, and degron protein from the N-terminal side (FIG. 1). For example, when fluorescent proteins I and II of the probe reagent having different fluorescence wavelengths are used, this reagent emits two wavelengths of fluorescence when the degron protein is not degraded, because its full length is maintained. Can do. On the other hand, when the degron protein is decomposed, it is decomposed and disappears with the fluorescent protein II linked to the N-terminal side.
  • the degradation activity of degron protein can be measured by measuring the change in the fluorescence intensity of the two wavelengths.
  • Fluorescent proteins include Green fluorescent protein (GFP) obtained from Aequorea jellyfish, mutants thereof, and other biological species such as coral and mutants such as, but not limited to, GFP, EGFP, CFP, YFP , ECFP, YPet, CyPet, Venus, mCherry, Cerulean, mKeima, T-Sapphire, Midoriishi-Cyan, Kusabira-Orange, and other known fluorescent proteins can be used (Current Protocols .33 (John Willy & Sons), J. Endocriol. 2001; 170: 297-306, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 2009; 19: 3748-3751). In order to measure the degradation activity of degron protein from changes in fluorescence intensity at two wavelengths, fluorescent proteins I and II are used which have greatly different excitation and / or fluorescence wavelengths, respectively.
  • GFP Green fluorescent protein
  • the fluorescent proteins I and II are arranged at such positions that the fluorescence energy transfer (FRET) occurs.
  • FRET fluorescence energy transfer
  • fluorescent protein II disappears due to degradation of degron protein
  • FRET is eliminated. Therefore, by using a pair that can be a donor and acceptor in FRET as a fluorescent protein, protein degradation activity is also observed from changes in the amount of FRET. Can be measured.
  • the amount of FRET changes, the fluorescence intensity of each donor and acceptor when the donor is excited is changed.
  • a change in FRET amount can be measured as a change in the ratio of the fluorescence intensities of fluorescent proteins I and II when fluorescent protein I is excited.
  • FRET fluorescence lifetime
  • YFP Yellow fluorescent protein
  • the peptide for stopping the degradation of the probe reagent was searched for from the region that seems to stop the degradation of p105, a protein that undergoes limited degradation in the proteasome (the amino acid number of human p105 is Accession below) NM_001165412 (human NFKB1 transcript, variant 2), NM_008689 and NM_001159394 (all of which are mouse-homologs) are also known).
  • the human p105 protein is composed of 969 amino acids. As mentioned earlier, when this protein is activated, about half of the C-terminal region of the proteasome is degraded, but up to 435 amino acids from the N-terminus are prevented from degradation and a protein called p50 is obtained. Released.
  • GRR Glycine Rich Region
  • Simple sequence is a region of amino acids 376-404 from the N-terminal side, and 19 glycines are concentrated in this (Orian, A. et al., Mol Cell. Biol., Vol. 19, 366p. 3664-3673, 1999). Therefore, it was examined whether this GRR and its surrounding sequence function as a degradation-stopping peptide even before the fluorescent protein. GRR alone does not stop the degradation, and the termination of degradation further includes the C-terminal sequence. Was found to be necessary. It was also found that the amino acid sequence following the C-terminal side of GRR does not necessarily have to be derived from p105.
  • Such a peptide having the ability to stop degradation may be another protein that undergoes limited degradation in the proteasome, such as p105.
  • proteins include, but are not limited to, for example, p100 (transcription factor, a component of NF ⁇ B), Cubitus interrupttus (Drosophila transcription factor; NM_079878, NM_001081125 (mouse homolog), NM_005270 (human homolog)), EBNA -1 (Epstein-Barr virus protein), Spt23 (yeast transcription factor; for example NC_001143, NM_001179586, _NC_006029, EU861367), Mga2 (yeast transcription factor; for example NM_001179555, NC_001141, NC_006029, CP000499), etc.
  • GRR-like peptides derived from these can also be used as degradation-stopping peptides.
  • Such degradation-stopping peptides can have the following characteristics (a) to (d).
  • Degradation-stopping peptide consists of a peptide containing 70% or more of an amino acid having 0 to 3 carbon atoms in the side chain, such as glycine, alanine, serine, aspartic acid, and asparagine.
  • a plurality of the degradation-degrading peptides may be arranged between the fluorescent protein I and the spacer.
  • spacer peptide is a peptide for keeping a distance between the degradation-stopping peptide and the fluorescent protein II and includes one or more amino acids, for example, 1 to 200 amino acids, preferably 2 to 100 amino acids, more preferably Consists of 5 to 50 amino acids.
  • the number of amino acids between the fluorescent protein I and the degradation-stopping peptide is less than 10 and may be 0.
  • Degron protein is a protein that is degraded by the ubiquitin-proteasome system to be measured. Many proteins that are degraded by the proteasome are known, and the probe reagent of the present invention can be used for measuring the degradation activity of these proteins by replacing this region.
  • proteins that are degraded in the ubiquitin-proteasome system include, but are not limited to, Cyclin (A, B, D, E), p53, A ⁇ , p27, p21, p16, p15, p18, p19, p62, I ⁇ B, NF- ⁇ , c-fos / c-jun, c-myc, ⁇ catenin, E2F-1, p130, cdc25, Tyrosine amino transferase, Polo-like kinase, Topoisomerase 1, Smad, Notch, Nrf2, HIF-1 ⁇ , Geminin, etc. (Adams, J. et al., Invest.
  • the full-length structure of the degron protein may be used, but the degradation of the protein, such as the part that undergoes ubiquitination in the molecule and the part that undergoes modifications such as phosphorylation necessary to induce the ubiquitination You may use only the part which is indispensable. Probe reagents become foreign molecules for cells. Therefore, in order to avoid unnecessary disturbance in the cell activity due to the introduction of the probe reagent into the cell, it is preferable that the degron protein contains only the structure necessary for degradation and other active regions are omitted.
  • abnormalities in the ubiquitin-proteasome system are associated with various diseases.
  • diseases for example, neurodegenerative diseases, cancer (or tumors), ischemic diseases (for example, infarcts), inflammatory diseases, allergic diseases and the like are known.
  • diseases associated with such abnormalities for example, neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease occur because degron proteins are difficult to be degraded by the proteasome (JP 2009-149524, JP 2008-222603, etc.).
  • An agent that activates the proteasome can be a therapeutic agent, while cancer is caused by degradation of the degron protein by the proteasome (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-254320, etc.), and thus a proteasome inhibitor can be a therapeutic agent.
  • the probe reagent of the present invention can be used to measure the degradation reaction of a protein by a ubiquitin-proteasome system possessed by a cell. Since this degradation system is universally present in eukaryotic cells, any probe reagent can be used. Various types of cells can be measured. Such cells also include cells associated with abnormalities in the ubiquitin-proteasome system, such as nerve cells, tumor cells, lymphocytes, skin cells, and synovial cells.
  • the probe reagent of the present invention is composed only of a protein
  • a nucleic acid for example, gene, DNA or messenger RNA
  • the probe reagent is expressed in the cell for measurement.
  • Proteasomes are known to be distributed in the nucleus and cytoplasm, but signal sequences that are localized and expressed only in the nucleus (nuclear localization signal) or signal sequences that are localized and expressed only in the cytoplasm (extranuclear)
  • the export signal By adding the export signal) to the probe reagent and expressing it, the degradation activity of the degron protein at these sites can be selectively measured.
  • the nuclear localization signal and the nuclear export signal those known in the literature can be used.
  • For introduction of DNA or RNA into cells commonly used techniques such as lipofection, electroporation, and microinjection can be used.
  • the nucleic acid encoding the probe reagent of the present invention is obtained by, for example, obtaining a DNA encoding each of the proteins and peptides constituting the probe reagent by a known cloning method, PCR method, etc. Can be produced. In cloning, the nucleic acid can be inserted into an appropriate vector so that it can be expressed and cloned into cells such as Escherichia coli, fungi, plant cells, and animal cells. Vectors are, for example, plasmids, phages, cosmids, viruses and the like.
  • nucleic acid an expression cassette linked with regulatory sequences such as promoter, enhancer, replication origin, ribosome binding site, terminator, polyadenylation site can be formed and inserted into the multicloning site of the vector.
  • regulatory sequences such as promoter, enhancer, replication origin, ribosome binding site, terminator, polyadenylation site.
  • Techniques such as gene recombination technology, transformation method, transfection method, and PCR method are described in, for example, Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, second. 1989 (Ausubel et al., Short Protocols in Molecular Biology, John John Wiley & Sons (2002), etc., and can be used for the present invention.
  • cells that retain the nucleic acid and stably express the probe reagent are prepared and used for measurement. Also good. Furthermore, by producing a transgenic non-human organism (for example, a non-human animal) into which this nucleic acid has been introduced, protein degradation activity can be measured at the individual level. At that time, by connecting the nucleic acid downstream of an appropriate promoter, it can be selectively expressed in the target organ or tissue of the non-human animal and used for the measurement.
  • the non-human animal can be produced according to a known technique, for example, after introducing the nucleic acid into the genome of an animal-derived embryonic stem (ES) cell or induced pluripotent stem (iPS) cell so that the nucleic acid can be expressed. This is carried out by transplanting an embryo obtained by introducing iPS cells into a blastocyst into a foster mother's uterus and giving birth to obtain a chimeric non-human animal and further offspring animals.
  • ES animal-derived embryonic stem
  • iPS induced pluripotent stem
  • fluorescent proteins examples include Cerulean (excitation peak 433 nm, fluorescence peak 475 nm) and mKeima (excitation peak 440 nm, fluorescence peak 620 nm). In the case of measurement using FRET, this one-wavelength excitation-two-wavelength fluorescence photometry is used. If both the excitation and fluorescence wavelengths are greatly different, two-wavelength excitation-two-wavelength fluorescence photometry is performed in which measurement is performed by switching both of them. Examples of such fluorescent proteins include Venus (excitation peak 515 nm, fluorescence peak 528 nm) and mCherry (excitation peak 587 nm, fluorescence peak 610 nm).
  • the ratio method cancels changes in fluorescence intensity that do not depend on protein degradation, such as differences in the distribution of probe reagents in cells, uneven illumination of excitation light, and fading of fluorescence. Measurement is possible.
  • a microscope imaging system in which a detector such as a cooled CCD camera is connected to a fluorescence microscope can be used.
  • a filter switching device When switching the excitation wavelength according to the measurement method, a filter switching device, a monochromator, or the like is connected after the light source.
  • a filter switching device and a two-wavelength spectrometer for imaging are connected in front of the detector.
  • a dual-band filter that matches the wavelength characteristics of the two fluorescent proteins used for the filter and dichroic mirror of the fluorescence microscope, and combine this with a color camera. Good.
  • the degradation activity of the degron protein is imaged as a color change, the detection becomes easy.
  • a microscope imaging device a laser scanning confocal microscope, a multiphoton excitation microscope, or the like can be used. Single-cell resolution is not required, and if you want to obtain data from many cells, you can use a fluorescence spectrophotometer, plate reader, flow cytometry, etc. In order to perform measurement at the individual level, a macro imaging device using a dark box can be used.
  • the reagent can be used in the medical field as follows, for example.
  • the probe reagent of the present invention can be used universally for these proteins by replacing the degron protein portion.
  • the probe reagent of the present invention contributes to the development of therapeutic methods and therapeutic agents for these diseases by measuring the degradation activity in cells or individual animals by using the degron protein as the cause or disease-related protein of the disease. Expected to do.
  • the present invention further uses the probe reagent, the vector, or the transformed cell to detect the probe reagent protein in the ubiquitin-proteasome system in a cell in the presence of a candidate substance that controls proteasome activity.
  • a method for screening for a therapeutic agent for a disease associated with an abnormality of the ubiquitin-proteasome system comprising measuring a degradation activity.
  • Diseases associated with abnormalities in the ubiquitin-proteasome system include neurodegenerative diseases such as those exemplified above, cancer (or tumor), ischemic diseases (for example, infarcts), inflammatory diseases, allergic diseases, etc. Abnormalities are associated with abnormal regulation of proteasome activity.
  • proteasome activators can be therapeutic agents in neurodegenerative diseases
  • proteasome inhibitors can be therapeutic agents in cancer and ischemic diseases (such as infarcts).
  • Uru (Special Table 2002-541206, Special Table 2001-511814, Special Table 2008-525427, etc.).
  • the probe reagent or vector of the present invention is brought into contact with a candidate substance by contacting a cell or transformed cell, particularly a cell associated with an abnormality of the ubiquitin-proteasome system, with the ubiquitin-proteasome system contained in the cell.
  • a substance that controls (i.e., enhances or suppresses (inhibits)) the degradation activity of the probe protein is selected.
  • the degradation activity of the probe reagent protein can be measured, for example, as a change in the fluorescence intensity ratio between the fluorescent protein I and the fluorescent protein II.
  • the present invention further includes an abnormality of a ubiquitin-proteasome system and a disease, which comprises contacting the probe reagent or vector with a cell or cell extract from a diseased patient and measuring the degradation activity of the probe reagent protein.
  • an abnormality of a ubiquitin-proteasome system and a disease which comprises contacting the probe reagent or vector with a cell or cell extract from a diseased patient and measuring the degradation activity of the probe reagent protein.
  • a normal cell or a cell extract of the cell is used as a control.
  • abnormalities in the ubiquitin-proteasome system can be correlated with diseases.
  • a disease can be selected from the diseases exemplified above.
  • the degron protein of the probe reagent is a protein associated with a disease, such as Cyclin (A, B, D, E), p53, A ⁇ , p27, p21, p16, p15, p18, p19, p62, I ⁇ B, NF- ⁇ , c-fos / c-jun, c-myc, ⁇ catenin, E2F-1, p130, cdc25, Tyrosine amino transferase, Polo-like kinase, Topoisomerase 1, Smad, Notch, Nrf2, HIF-1 ⁇ , Geminin, etc. Is a protein.
  • a disease such as Cyclin (A, B, D, E), p53, A ⁇ , p27, p21, p16, p15, p18, p19, p62, I ⁇ B, NF- ⁇ , c-fos / c-jun, c-myc, ⁇ cat
  • Example 1 ⁇ Search for peptides to stop degradation>
  • a peptide sequence having an ability to stop degradation from p105 was searched.
  • a probe reagent using CyPet as fluorescent protein I, YPet as fluorescent protein II, and Geminin as a degron protein was prepared (FIG. 2).
  • CyPet is a fluorescent protein derived from CFP, with an excitation wavelength peak of 435 nm and a fluorescence wavelength peak of 477 nm.
  • YPet is a fluorescent protein derived from YFP, with an excitation wavelength peak of 517 nm and a fluorescence wavelength peak of 530 nm.
  • Geminin is one of the factors that regulate cell cycle progression and is a protein that has the function of inhibiting the licensing of DNA replication (Cell 1998; 93 (11): 1043-1053, Am. J. Pathol. 2002; 161 (1): 267-273). Its abundance is strictly controlled during the cell cycle, and the expression level increases in the S / G 2 / M phase, and disappears in the G 1 phase by promoting degradation by the ubiquitin-proteasome system.
  • Geminin structure (for example, NM_015895 (human, SEQ ID NO: 18 and 19), NM_020567 (mouse)) consists of amino acids 1-110 on the N-terminal side containing the necessary portion for degradation of this molecule. Part was used (Geminin (1/110)).
  • the cDNA of each of the above molecules was amplified by PCR, and ligated by inserting into each restriction enzyme site of the cloning vector, multi-cloning site of pBluescript®II SK (+) (Stratagene) to prepare a gene DNA of a probe reagent.
  • the sequence of the peptide for stopping the degradation was searched from the region of amino acids 366-440 of human-derived p105 (SEQ ID NOs: 16 and 17). This area includes GRR and processing points.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram thereof (p105 (m / n) indicates a peptide consisting of amino acids m to n from the N-terminus of p105). Furthermore, the gene DNA of the prepared probe reagent was excised from the pBlueScript vector using a restriction enzyme, and this was inserted into the expression vector, CSII-EF-MCS multicloning site to prepare a vector for expression in cultured cells. .
  • HeLa cells were cultured in a 35 mm ⁇ glass bottom dish in Dulbecco's modified Eagle medium containing 10% fetal bovine serum.
  • the prepared vector plasmid was mixed with a transfection reagent, FuGENE (Roche Applied Science), and added to the medium.
  • HeLa cells were cultured for 2 days in a CO 2 incubator to express the probe reagent and to experience the cell cycle.
  • Geminin is a protein that functions in the nucleus and has a nuclear localization signal in the molecule, so that the probe reagent is selectively incorporated into the nucleus. Geminin changes its amount periodically according to the cell cycle by promoting and suppressing degradation by the ubiquitin-proteasome system.
  • an inverted microscope (IX70, Olympus) was used, and fluorescence images were acquired with a three-plate cooled CCD color camera (ORCA3CCD, Hamamatsu Photonics). With this camera, images of the three wavelength regions of red, green, and blue can be acquired simultaneously and displayed together to observe a color image. Moreover, the brightness
  • CyPet fluorescence is mainly blue and partly green due to its spectral characteristics. Since most of the fluorescence of YPet falls in the green region, FRET measurement is performed by calculating the ratio of both the luminance of the image in the blue wavelength region as CyPet and the luminance of the image in the green wavelength region as the fluorescence intensity of YPet. Went. Moreover, it excited with the bandpass filter of 490 nm, and acquired fluorescence with the bandpass filter of 510-560 nm. In this setting, since the fluorescence when YPet was directly excited could be observed in the green wavelength region, the presence and localization of YPet were confirmed. The luminance analysis of the image was performed with the image analysis device AQUACOSMOS (Hamamatsu Photonics).
  • FIG. 4 shows an observation example of cells expressing a probe reagent using p105 (376/440) and p105 (405/440) as peptides for stopping the degradation.
  • the fluorescence was distributed only in the nucleus in all the cells observed.
  • only weak fluorescence was observed in the blue wavelength region when CyPet was excited, whereas strong fluorescence was observed in the green wavelength region, indicating that strong FRET from CyPet to YPet occurred.
  • the ratio of the fluorescence intensity of YPet / CyPet when CyPet was excited was 7.64 ⁇ 1.03 (mean ⁇ standard deviation).
  • amino acid chain does not have to be derived from p105.
  • 30 a.a. is shown in SEQ ID NO: 15. From these results, it was found that a peptide sequence as a spacer that separates GRR from its C-terminal side and fluorescent protein II is necessary to stop the decomposition of the probe reagent. In addition, from the result of p105 (366/440) between the N-terminal side of GRR and fluorescent protein I, it was found that the degradation was not stopped when 10 amino acids were inserted.
  • the following shows the amino acid sequence of the degradation-stopping peptide + spacer peptide having the ability to stop the degradation of the probe reagent extracted in this experiment, and the base sequence of DNA.
  • p105 (376/440) 376-440 amino acid sequence of human p105 (SEQ ID NO: 1) Decomposition stop peptide: 376-404th (underlined), spacer peptide: 405-440th GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPG YSFPHYGFPTYGGITFHPGTTKSNAGMKHGTMDTES Base sequence (SEQ ID NO: 2) GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGG TATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTCCATCCTGGAACTACTAAATCTAATGCTGGGATGAAGCATGGAACCATGGACACTGAATCT p105 (382/440) 382-440 amino acid sequence of human p105 (SEQ ID NO: 3) Decomposition stop peptide: 382-404th (underlined), spacer peptide: 405-440th GAGGGGMFG
  • Fluorescent protein I is released into the cytoplasm as the cell cycle progresses. Protein II was also observed using Venus and mCherry, AmCyan and mCherry, TurboGFP and TurboRFP, mAzami-Green and mKusabira-Orange, respectively. From this result, it is considered that many types of fluorescent proteins can be applied as constituents of the probe reagent.
  • Example 2 ⁇ Time-lapse imaging with probe reagent using Geminin (1/110) as degron protein> Peptide p105 (376/440) (decomposition-stopping peptide p105 (376/404) + spacer peptide p105 (405/440)) with the ability to stop degradation, and CyPet and YPet as fluorescent proteins I and II as degron proteins Time-lapse imaging was performed on HeLa cells in which a probe reagent using Geminin (1/110) was expressed, and the temporal change in fluorescence with the cell cycle was measured.
  • Measurement was performed with an incubator fluorescence microscope (LCV110, Olympus). Upon excitation with a 455 nm LED, CyPet fluorescence images were acquired with a cooled CCD camera through a 460-510 nm bandpass filter and YPet fluorescence images with a 515-560 nm bandpass filter. Images from direct excitation of YPet were acquired with a 528-555 nm bandpass filter by excitation with a 505 nm LED. Each image was acquired every 30 minutes for 48 hours. Luminance analysis was performed separately for the nuclear region and the other cytoplasmic region, and the ratio of the fluorescence intensity of YPet / CyPet when CyPet was excited was measured.
  • Figure 6 shows the results.
  • the value of the fluorescence intensity ratio decreased rapidly with cell division in both the nucleus and cytoplasm.
  • the ratio value gradually recovered in the nucleus, but the decreased value was maintained in the cytoplasm.
  • CyPet fluorescence was always observed in the nucleus or cytoplasm, but YPet fluorescence rapidly decreased with cell division, and then It was observed that the nucleus slowly recovered (Fig. 7).
  • I ⁇ B ⁇ is a protein that binds to NF ⁇ B in the cytoplasm and inhibits its nuclear translocation and transcriptional activity.
  • I ⁇ B kinase is activated, which phosphorylates I ⁇ B ⁇ .
  • Phosphorylated I ⁇ B ⁇ undergoes ubiquitination by ubiquitin ligase and is degraded by the proteasome.
  • CyPet was used for fluorescent protein I
  • YPet was used for fluorescent protein II
  • full length I ⁇ B ⁇ was used as a degron protein
  • p105 (376/404) was used as a degradation-stopping peptide
  • p105 (405/440) was used as a spacer peptide.
  • Probe by replacing Geminin (1/110), the degron protein of the probe reagent for searching for the above-mentioned degradation-stopping peptides, with human or mouse-derived I ⁇ B ⁇ (human: NM_020529, NM_003340 or NM_003339, mouse: AF112979)
  • a reagent was prepared (FIG. 8).
  • Cos7 cells were cultured in a 35 mm ⁇ glass bottom dish in Dulbecco's modified Eagle medium containing 10% fetal bovine serum. Similar to the experiment for searching for the degradation-stopping peptide, the gene DNA of the probe reagent was transfected and imaged with an incubator microscope. Images were acquired every 10 minutes for 2 hours. Ten minutes after the start of imaging, TNF- ⁇ , an agent that activates NF ⁇ B, was added to the medium to a concentration of 20 ng / ml.
  • FIG. 9 shows the time change of the CyPet fluorescence image with CyPet excitation and the YPet fluorescence image with YPet excitation.
  • One cell (No. 1) out of four cells entering the field showed a response, and a decrease in fluorescence intensity was observed only with YPet.
  • a decrease in the fluorescence intensity ratio of YPet / CyPet when CyPet was excited was also observed (FIG. 10). This result indicates that the degradation process of I ⁇ B ⁇ by TNF- ⁇ stimulation can be visualized as a change in fluorescence with this probe reagent.
  • the probe reagent of the present invention can contribute to the development of therapeutic methods and drugs for these diseases by measuring the degradation activity of proteins related to diseases caused by abnormalities in the ubiquitin-proteasome system in cells or individual animals. it can.
  • SEQ ID NO: 13 Synthetic peptide
  • SEQ ID NO: 14 DNA encoding the synthetic peptide
  • SEQ ID NO: 15 CyPet-derived peptide

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Abstract

　この発明は、N末側からC末端側に向かって順番に、蛍光蛋白質I、蛋白質の分解を停止させるペプチド（分解停止ペプチド）、スペーサーペプチド、蛍光蛋白質II、および分解を受ける蛋白質のそれぞれのアミノ酸配列を含んでなるプローブ試薬であって、ここで該分解を受ける蛋白質がユビキチン－プロテアソーム系で分解される蛋白質であり、および、該プローブ試薬のC末端側から分解を受けるがその分解は分解停止ペプチドで停止することを特徴とするプローブ試薬、該プローブ試薬をコードする核酸、あるいはプローブ試薬または核酸の使用に関する。

Description

蛋白質の分解活性を測定するためのプローブ試薬
　本発明は、生きている細胞内でユビキチン-プロテアソーム系に依存した特定の蛋白質分解活性を測定するための蛍光プローブ試薬に関する。
　細胞がもつ蛋白質の分解経路の1つとして、ユビキチン-プロテアソーム系がよく知られている。この反応系では、変性した蛋白質や折りたたみが異常な蛋白質にユビキチンとよばれる小型の蛋白質が複数個、鎖状に付加される。このユビキチン鎖は分解されるべき蛋白質としての目印となり、蛋白質の分解装置であるプロテアソームによって認識され破壊される。この系により、細胞内の異常な蛋白質の除去が行われる。しかし、ユビキチン-プロテアソーム系は、必ずしも細胞内の蛋白質の品質管理を行うためだけの系ではない。構造的、機能的に正常な蛋白質であっても、そのときの細胞の状態に応じて分解し、その活性を抑えることで種々の細胞機能の制御を行っている。これまでに多くの蛋白質がユビキチン-プロテアソーム系によってその存在量が制御されることが知られている。これらの蛋白質の機能としては、細胞周期の制御、遺伝子発現の調節、ストレス応答、DNAの修復など多種多様である。このように、細胞が示す多くの生命現象がこの系によって制御されていることから、ユビキチン-プロテアソーム系は細胞の正常な活性の維持に欠かせないものとされている。そのため、この蛋白質分解系の機能低下は細胞に危機的な影響を与える。アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患では、細胞内に異常な蛋白質の蓄積や凝集が観察されるが、これらの疾患の発症の原因としてユビキチン-プロテアソーム系の機能異常が示唆されている。またユビキチン-プロテアソーム系が、細胞周期やDNAの修復などにも関与することから、この系の破綻から細胞の癌化が誘導されることも知られている。このように、ユビキチン-プロテアソーム系が多くの重要な生命現象の制御を担っていることから、この反応系を精確かつ簡便に測定する手法を開発することは、細胞が示す生命現象のメカニズムの解明だけでなく、その異常によって誘発される疾患に対する治療法や薬剤の開発にも大きく貢献するものと思われる。
　細胞内で行われるユビキチン-プロテアソーム系での蛋白質の分解の測定には、従来、ウェスタンブロッティングなどの生化学的な手法が用いられてきた。この手法では多数の細胞をまとめて破壊し、その成分を回収する。その中に含まれる測定対象とする蛋白質を、電気泳動で分子量に応じて分離、さらに特異的な抗体を利用した染色により検出する。これによりその蛋白質の存在量や分解活性が測定される。しかし、この手法では操作が煩雑で時間を要するうえ、生きている個々の細胞での測定が行えない。
　近年、ホタルなどが示す生物発光反応に関わるルシフェリン、ルシフェラーゼや、オワンクラゲなどから得られた蛍光蛋白質を、細胞内の分子の動態をモニタするためのプローブ試薬として応用する技術が大いに発展した。これが顕微鏡イメージングの技術の進歩とあいまって、細胞内の特定の生理的活性を時空間的に可視化し、計測するための手法が一般化されてきた。プロテアソームでの蛋白質の分解活性についても、この手法により生きた細胞内で計測されるようになっている。この手法では、測定対象とされる蛋白質をルシフェラーゼや蛍光蛋白質と融合させたものをプローブ試薬としている（特許文献1）。この蛋白質が細胞に存在するときには、標識とされた発光あるいは蛍光が観察されるが、プロテアソームで分解されるときには融合されたルシフェラーゼや蛍光蛋白質も道連れとなっていっしょに分解されるため、発光や蛍光が観察されなくなる。したがって、これらの光強度の変動をモニタすることでこの蛋白質の分解活性を測定することができる。これまでにこの手法により、IκBα，p27，p53，HIF-1αなどといった蛋白質の分解の測定が行われている(特許文献2、非特許文献1～3)。しかし、これらのプローブ試薬では標識として使用されるルシフェラーゼや蛍光蛋白質が1種類であることから、発光または蛍光を1波長のみで測定している。このため、光の強度が、プローブ試薬の分布や発現量の不均一、細胞や組織の形態、退色などによる消光、励起光のむらなどといった蛋白質の分解活性に依存しない要因により影響を受けることで、定量的な測定が困難となっている。また分解活性が高まることで光量が減少した場合に、検出器の感度の不足やS/Nの低下が生じ、精確な測定が困難になるという問題もある。
　1波長のみでの測光法で問題となる蛋白質の分解に依存しない要因の影響は、発光や蛍光を2波長で測定し、その強度の比をもとめることでキャンセルすることができる。Davisらの手法では、測定対象とする蛋白質、IκBαをコメツキムシ由来の緑色の発光を示すルシフェラーゼ(CBG68)と融合させて細胞に発現させた。またこれと同時にコメツキムシ由来の赤色の発光を示すルシフェラーゼ(CBR)を同じ細胞に発現させた。CBG68の発光量は、IκBαのプロテアソームでの分解活性に応じて増減を示す。一方、CBRの発光はその影響を受けないため対照として使用された。彼らはマルチウェルのプレートで培養された細胞群で発光測定を行っており、ウェル間の細胞数の違いなどに由来する発光量の差異を補正するために、IκBαの分解活性を緑/赤の発光強度の比として計測した(非特許文献4)。この手法では、1波長測光法と比べれば定量性を向上させてはいるが、2つのプローブ分子を個別に発現させるために、細胞間でこれらの発現量の比、すなわち発光強度の比を揃えることが困難であるという問題がある。また標識として使用されるルシフェラーゼや蛍光蛋白質の性質によっては、これらが細胞内に均一に分布せずその局在に違いが出てしまうというおそれもある。これらのことは、特に単一細胞レベルでの蛋白質の分解活性を測定したい場合にその精度を落とす要因となる。
特開2007-209227 特表2004-533224
Li,X. et al., J. Biol. Chem., Vol.274, p.21244-21250, 1999 Zhang,G.-J. et al., Nat. Med., Vol.10, p.643-648, 2004 Rehemtulla,A. et al., Mol. Imaging, Vol.3, p63-68, 2004 Davis,R.E. et al., Assay and Drug Development. Technologies, Vol.5, p.85-103, 2007
　本発明の目的は、生きている細胞内でユビキチン-プロテアソーム系に依存した特定の蛋白質分解活性を測定するための蛍光プローブ試薬を提供することである。
　このようなプローブ試薬は、背景技術に記載したような従来法の問題点を克服するものである。
　本発明は、要約すると、以下の特徴を含む。
　(1) N末側からC末端側に向かって順番に、蛍光蛋白質I、蛋白質の分解を停止させるペプチド（分解停止ペプチド）、スペーサーペプチド、蛍光蛋白質II、および分解を受ける蛋白質のそれぞれのアミノ酸配列を含んでなるプローブ試薬であって、ここで該分解を受ける蛋白質がユビキチン－プロテアソーム系で分解される蛋白質であり、および、該プローブ試薬のC末端側から分解を受けるがその分解は分解停止ペプチドで停止することを特徴とするプローブ試薬。
　(2) 蛍光蛋白質Iおよび蛍光蛋白質IIは、励起波長、蛍光波長、または、励起波長と蛍光波長の両方が異なるものである、前記(1)に記載のプローブ試薬。
　(3) 蛍光蛋白質Iおよび蛍光蛋白質IIはそれぞれ、蛍光エネルギー移動(FRET)でのドナーとアクセプタである、前記(1)または(2)に記載のプローブ試薬。
　(4) 核局在化シグナルまたは核外搬出シグナルをさらに含む、前記(1)～(3)のいずれかに記載のプローブ試薬。
　(5) 分解停止ぺプチドが、蛍光蛋白質Iとスペーサーの間に1個もしくは複数個存在する、前記(1)～(4)のいずれかに記載のプローブ試薬。
　(6) スペーサーペプチドは、分解停止ペプチドと蛍光蛋白質IIの間に距離をおくための１個以上のアミノ酸からなるペプチドである、前記(1)～(5)のいずれかに記載のプローブ試薬。
　(7) 前記(1)～(6)のいずれかに記載のプローブ試薬をコードする核酸。
　(8) 前記(7)に記載の核酸を発現可能に含むベクター。
　(9) 前記(8)に記載のベクターを含む形質転換細胞。
　(10) 疾病細胞である、前記(9)に記載の形質転換細胞。
　(11) 前記(1)～(6)のいずれかに記載のプローブ試薬、前記(8)に記載のベクター、あるいは前記(9)または(10)に記載の形質転換細胞を用いて、プロテアソーム活性を制御する候補物質の存在下で細胞におけるユビキチン-プロテアソーム系での該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病の治療剤をスクリーニングする方法。
　(12) プローブ試薬蛋白質の分解活性を、蛍光蛋白質IとIIの蛍光強度の比の変化として測定する、前記(11)に記載の方法。
　(13) 細胞がユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病細胞である、前記(11)または(12)に記載の方法。
　(14) 前記(1)～(6)のいずれかに記載のプローブ試薬または前記(8)に記載のベクターと、疾病患者からの細胞または細胞抽出液とを接触させて該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常と疾病との関連を調べる方法。
　(15) プローブ試薬内の分解を受ける蛋白質（デグロン蛋白質）が疾病に関連する蛋白質である、前記(11)または(14)に記載の方法。
　本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願2010-012084号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
　本発明により、生きている細胞（「生細胞」ともいう）内でユビキチン-プロテアソーム系での蛋白質の分解活性をリアルタイムで測定できるプローブ試薬が提供される。このプローブ試薬は、背景技術で挙げたプローブ試薬で生じる問題点を克服している。2つの蛍光蛋白質の間に分解停止ペプチドを配したことで、蛋白質の分解活性の高まりにより試薬が分解されるときにも1つの蛍光蛋白質からのシグナルが得られるようになった。これにより、分解活性が高まったときも精度の高い測定が行えるようになった。2つの蛍光蛋白質は1つの分子内に存在するため、これらはどの細胞でも1：1の量比で発現される。このため、これらの蛍光強度の変化をレシオ(ratiometric)法で測定することで細胞間の蛋白質の分解活性の比較が容易かつ定量的に行えるようになった。また2つの蛍光蛋白質の局在も常に一致するため、細胞内の蛋白質の分解活性の分布を精度よく測定することができる。以上のような特性により、時空間的な蛋白質の分解活性の測定の精度、定量性、簡便性を向上させることができた。
本発明のプローブ試薬の構造を示す。 分解停止ペプチド探索用プローブ試薬の構造を示す。 分解停止ペプチドおよびスペーサーペプチドとして使用されたp105の部位を示す。 分解停止ペプチド探索用プローブ試薬の蛍光観察例を示す。 分解停止ペプチド探索用プローブ試薬のFRET測定の結果を示す。図中、＊は、核のみならず細胞質にも蛍光が観察されたことを示す。 細胞の核と細胞質での、Gemininデグロンプローブ試薬の蛍光強度比の時間変化を示す。 Gemininデグロンプローブ試薬のタイムラプスイメージングを示す。 IκBαデグロンプローブ試薬の構造を示す。 IκBαデグロンプローブ試薬のタイムラプスイメージングを示す。 細胞No.1～No.4での、IκBαデグロンプローブ試薬の蛍光強度比の時間変化を示す。
　本発明のプローブ試薬は蛋白質で作られており、構造として、N末側から蛍光蛋白質I，蛋白質の分解を停止させるペプチド，この分解停止ペプチドと次の蛍光蛋白質IIの間に距離を設けるスペーサーペプチド，蛍光蛋白質II，分解を受ける蛋白質の5つの要素が連結された形態をとる。蛋白質の分解活性が高まったとき、このプローブ試薬はC末側から分解を受けるが、その分解は分解停止ペプチドで停止する。この結果、蛍光蛋白質Iは残り、蛍光蛋白質IIは分解されて消失するため、これらの蛍光強度の変化をモニタすることで蛋白質の分解活性を測定することができる。
　本発明のプローブ試薬は、ユビキチン-プロテアソーム系による蛋白質分解活性を生きている細胞内で測定するために使用できるという特徴をもつ。
　プロテアソームは、細胞がもつ蛋白質分解装置である。樽型の構造をしており、その内腔部にプロテアーゼの活性部位をもつ。プロテアソームで分解を受ける蛋白質はユビキチンリガーゼなどの働きによりポリユビキチン化の修飾を受ける。プロテアソームはこの目印が付加された蛋白質を認識し、その立体構造をほどきながら内腔部に取り込み、数アミノ酸のペプチドにまでに破壊する。
　しかし、プロテアソームに認識されたすべての蛋白質がこのように完全に破壊されるわけではない。蛋白質の中には分解が限定された一部にとどまり、分子全体の分解からは免れるものがあることが知られている。例えば、転写因子、NFκBの構成要素の1つであるp105という蛋白質は、静止時には細胞質に分布し、転写因子としての活性が抑えられている。しかし、活性化のシグナルを受けたときにはユビキチン化を受け、プロテアソームでC末側からおよそ半分までの構造は破壊されるが、残りは分解されずにp50とよばれる蛋白質として放出される。そしてこのp50が核に移行して遺伝子の転写活性を促す。すなわち、NFκBはその転写活性のON／OFFの制御にプロテアソームの分解活性を利用しているといえる。
　Tianら(Nat. Struct. Mol. Biol., Vol.12, p.1045-1053, 2005)は、このプロテアソームでの蛋白質の分解を途中で停止させるための構造として、同じアミノ酸が連続して並ぶsimple sequenceとよばれる配列と、その分解が進む方向の後方に、強固な立体構造であるtightly folded domainが配置されることが必要であることを報告している。p105の場合、グリシンが高頻度に現れるGlycine-rich region(GRR)とよばれる部分がsimple sequenceに、Rel homology domainがtightly folded domainに相当する(Tian,L. et al., 上掲)。
　本発明のプローブ試薬は、このように蛋白質の分解を途中で停止させる、プロテアソームでの限定的な分解反応を利用している。βバレル構造をとる蛍光蛋白質をtightly folded domainと想定し、これにsimple sequence配列をもつペプチドを組み合わせることで、プロテアソームでの分解を途中で停止させるプローブ試薬を作製した。このプローブ試薬は、励起または蛍光波長、あるいはその両方が異なる2種類の蛍光蛋白質、分解を停止させるペプチド、分解停止ペプチドと次に続く蛍光蛋白質との間に距離をおくスペーサーペプチド、プロテアソームで分解を受ける蛋白質（「デグロン蛋白質」と称する）の5つの領域から構成される。プローブ試薬は、これら5つの領域が1本のアミノ酸鎖として連結された構造となっている。各領域が、N末側から蛍光蛋白質I，分解停止ペプチド，スペーサーペプチド，蛍光蛋白質II，デグロン蛋白質の順序で配置されている(図1)。例えば、プローブ試薬の蛍光蛋白質I，IIとしてそれぞれ蛍光波長が異なるものを使用した場合、この試薬はデグロン蛋白質が分解を受けていないときには、その全長が維持されているため2波長の蛍光を発することができる。一方、デグロン蛋白質が分解を受けたときは、そのN末側に連結された蛍光蛋白質IIもつづけて分解されて消失する。しかし、この分解はさらにそのN末側にある分解停止ペプチドにより止められるため、蛍光蛋白質Iは分解を受けずに残り、この蛍光のみが観察されるようになる。したがって、この2波長の蛍光強度の変化を測定することでデグロン蛋白質の分解活性を測定することができる。
　蛍光蛋白質としてはオワンクラゲから得られたGreen fluorescent protein(GFP)やその変異体、その他サンゴなど種々の生物種から得られたものやその変異体、例えば、非限定的にGFP, EGFP, CFP, YFP, ECFP, YPet, CyPet, Venus, mCherry, Cerulean, mKeima, T-Sapphire, Midoriishi-Cyan, Kusabira-Orangeなどの公知の蛍光蛋白質、が使用できる(Current Protocols in Cell Biology, 2006; 21.5.1-21.5.33 (John Willy & Sons), J. Endocriol. 2001; 170:297-306, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 2009; 19:3748-3751)。デグロン蛋白質の分解活性を2波長の蛍光強度の変化から測定できるように、蛍光蛋白質IとIIとしては、それぞれ励起または蛍光波長、あるいはその両方が大きく異なるものを使用する。
　このプローブ試薬の構造の中で、蛍光蛋白質IとIIは蛍光エネルギー移動(FRET)が起こるほどに近接した位置に配置される。しかし、デグロン蛋白質の分解にともない蛍光蛋白質IIが消失するとFRETが解消されることから、蛍光蛋白質としてFRETでのドナーとアクセプタとなりうるペアを使用することでFRET量の変化からも蛋白質の分解活性を測定することができる。FRET量が変化するときにはドナーを励起したときのドナーとアクセプタそれぞれの蛍光強度に変化を与える。そこで、例えば蛍光蛋白質Iをドナー、IIをアクセプタとすると、FRET量の変化は蛍光蛋白質Iを励起したときの蛍光蛋白質IとIIの蛍光強度の比の変化として測定することができる。またFRETが起きている場合には、起きていないときと比べてドナーの蛍光寿命が短くなることが知られている。そこで、蛍光蛋白質Iにドナーとなる蛍光蛋白質を使用することで、その蛍光寿命の変化からもデグロン蛋白質の分解活性を測定することができる。ドナーとアクセプタとなる蛍光蛋白質のペアの例としては、Cyan fluorescent protein (CFP)とYellow fluorescent protein (YFP)、Midoriishi-CyanとKusabira-Orangeなどがある。
　プローブ試薬の分解を停止させるためのペプチドについては、プロテアソームで限定的な分解を受ける蛋白質、p105の分解を停止させると思われる領域からその配列を探索した(以下、human p105のアミノ酸の番号はAccession number NM_003998, human NFKB1 transcript variant 1に準じて記載するが、この他にNM_001165412 (human NFKB1 transcript variant 2), NM_008689及びNM_001159394 (いずれもmouse homologs)などが知られている。)。ヒトのp105蛋白質は969個のアミノ酸から構成される。前に述べたようにこの蛋白質は活性化を受けると、プロテアソームでC末側の約半分の領域は分解されるが、N末端から435個までのアミノ酸は分解を免れ、p50とよばれる蛋白質として放出される。この分解が停止するポイントはprocessing pointとよばれる。Simple sequenceに相当するGRR(Glycine Rich Region)はN末側から376-404番目のアミノ酸の領域であり、この中に19個のグリシンが集中して存在する(Orian,A. et al., Mol. Cell. Biol., Vol.19, p.3664-3673, 1999)。そこでこのGRRおよびその周辺の配列が蛍光蛋白質の手前でも分解停止ペプチドとして機能するか調べたところ、GRRのみでは分解が停止せずに、分解の停止にはさらにそのC末側の配列を含むことが必要であることがわかった。またGRRのC末側に続くアミノ酸配列は必ずしもp105由来のものでなくてもよいことがわかった。この結果からこのプローブ試薬がプロテアソームでの分解から免れるためには、GRRのC末側、蛍光蛋白質IIまでの間に距離をおくためのペプチド配列が必要であることが示された。ここでは、GRRの部分を分解停止ペプチド、そのC末側に続く配列をスペーサーペプチドと呼ぶことにした。またGRRのN末側、蛍光蛋白質Iとの間は10個又はそれ以上のアミノ酸が挿入されると、分解が停止されないことがわかった。
　このような分解停止能をもつペプチドは、p105のようにプロテアソームでの限定的な分解を受ける他の蛋白質であってもよい。このような蛋白質としては、以下に限定されないが、例えばp100(転写因子、NFκBの構成要素)，Cubitus interruptus(ショウジョウバエの転写因子; 例えばNM_079878, NM_001081125(mouse homolog), NM_005270(human homolog))，EBNA-1(Epstein-Barrウイルスの蛋白質)，Spt23(酵母の転写因子; 例えばNC_001143, NM_001179586, NC_006029, EU861367)，Mga2(酵母の転写因子； 例えばNM_001179555, NC_001141, NC_006029, CP000499)などが挙げられる(Rape,M. and Jentsch,S., Nat. Cell Biol., Vol.4, E113-E116, 2002)((注)明細書中に記載のaccession numberはいずれもGenBank accession numberである。)。さらに、これらに由来するGRR様ペプチドも分解停止ペプチドとして使用できる。このような分解停止ペプチドは、次の特徴(a)～(d)を有することができる。
(a) 分解停止ペプチドは、グリシン，アラニン，セリン，アスパラギン酸，アスパラギンなど側鎖に0～3個の炭素原子をもつアミノ酸を、70％以上の構成比率で含むペプチドからなる。
(b) 分解停止ペプチドは、蛍光蛋白質Iとスペーサーの間に複数個配列させてもよい。
(c) スペーサーペプチドは、分解停止ペプチドと蛍光蛋白質IIの間に距離をおくためのペプチドで1個以上のアミノ酸を含み、例えば、1～200アミノ酸、好ましくは、2～100アミノ酸、より好ましくは5～50アミノ酸よりなる。
(d) 蛍光蛋白質Iと分解停止ペプチドの間のアミノ酸は10個未満であり、0個でもよい。
　デグロン蛋白質は、測定の対象となる、ユビキチン-プロテアソーム系で分解される蛋白質である。プロテアソームで分解される蛋白質は数多く知られており、本発明のプローブ試薬はこの領域を置き換えることで、これらの蛋白質の分解活性の測定に汎用的に使用できる。ユビキチン-プロテアソーム系で分解される蛋白質としては、以下に限定されないが、例えばCyclin (A, B, D, E)，p53，Aβ,p27，p21，p16，p15，p18，p19，p62, IκB，NF-κβ,c-fos/c-jun，c-myc，βcatenin，E2F-1，p130，cdc25，Tyrosine amino transferase，Polo-like kinase，Topoisomerase 1，Smad，Notch，Nrf2，HIF-1α, Gemininなどの公知の蛋白質が挙げられる (Adams,J. et al., Invest. New Drugs, 18, 109-121, 2000; Nakano, T et al., Acta Neuropathol. (Berl), 107:359-364, 2004)。デグロン蛋白質として、その全長の構造を使用してもいいが、その分子の中でユビキチン化を受ける部分や、そのユビキチン化の誘導に必要なリン酸化などの修飾を受ける部分など、その蛋白質の分解に必須とされる部分のみを用いてもよい。細胞にとってプローブ試薬は外来の分子となる。そのため、細胞内へのプローブ試薬の導入により細胞の活性に不要な撹乱が生じるのを避けるため、デグロン蛋白質としては分解に必要な構造のみを含み、その他の活性領域は省かれているほうがよい。
　前述のとおりユビキチン－プロテアソーム系の異常は種々の疾病と関連している。そのような疾病には、例えば神経変性疾患、癌（もしくは、腫瘍）、虚血性疾患（例えば梗塞）、炎症性疾患、アレルギー性疾患などが知られている。そのような異常に関連する疾病のうち、例えばアルツハイマー病、パーキンソン病などの神経変性疾患は、デグロン蛋白質がプロテアソームにより分解されにくいために起こる（特開2009-149524、特開2008-222603など）ので、プロテアソームを活性化する薬剤が治療剤となりうるし、一方、癌は、デグロン蛋白質がプロテアソームによって分解されて起こる（特開2007-254320など）ので、プロテアソーム阻害剤が治療剤となりうる。
　本発明のプローブ試薬は、細胞がもつユビキチン-プロテアソーム系による蛋白質の分解反応を測定するために使用することができるが、この分解系は真核細胞に普遍的に存在するものであるため、あらゆる種類の細胞を測定対象とすることができる。このような細胞には、ユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する細胞、例えば神経細胞、腫瘍細胞、リンパ球、皮膚細胞、関節滑膜細胞なども含まれる。
　また、本発明のプローブ試薬は蛋白質のみで構成されるため、そのアミノ酸配列をコードする核酸（例えば遺伝子、DNAまたはメッセンジャーRNA）を細胞に導入することで、プローブ試薬を細胞に発現させて測定に用いることができる。プロテアソームは核と細胞質に分布することが知られているが、核のみに局在させて発現させるシグナル配列(核局在化シグナル)、あるいは細胞質のみに局在させて発現させるシグナル配列(核外搬出シグナル)をプローブ試薬に付加して発現させることで、これらの部位でのデグロン蛋白質の分解活性を選択的に測定することができる。核局在化シグナルおよび核外搬出シグナルは文献等で公知のものを使用できる。細胞へのDNAやRNAの導入は、リポフェクション法，エレクトロポーレーション法，マイクロインジェクション法など一般的に行われる手法が利用可能である。
　本発明のプローブ試薬をコードする核酸は、例えば、プローブ試薬を構成する蛋白質やペプチドの各々をコードするDNAを公知のクローニング法、PCR法などで取得し、順番に連結したのちPCR法で増幅することによって作製することができる。クローニングに際しては、該核酸を適当なベクターに発現可能に挿入し、大腸菌、菌類、植物細胞、動物細胞などの細胞にクローニングすることができる。ベクターは、例えばプラスミド、ファージ、コスミド、ウイルスなどである。目的に応じた種々のベクターやクローニングシステムが、タカラバイオ、インビトロジェン、アプライド・バイオシステムズなどから市販されているので、それらを使用すると便利である。核酸の発現のために、プロモーター、エンハンサー、複製開始点、リボソーム結合サイト、ターミネーター、ポリアデニル化サイトなどの調節配列を連結した発現カセットを形成しベクターのマルチクローニングサイトに挿入することができる。遺伝子組換え技術、形質転換法、トランスフェクション法、PCR法などの技術は、例えばSambrookら, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, second ed. (1989)、Ausubelら, Short Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons (2002)などに記載されており、本発明のために使用することができる。
　また上記のようにプローブ試薬を一過性に細胞に発現させる手法に加え、その核酸を保持し、プローブ試薬を安定して発現させる細胞（すなわち、形質転換細胞）を作製して測定に用いてもよい。さらに、この核酸を導入したトランスジェニック非ヒト生物（例えば非ヒト動物）を作製することで、個体レベルでの蛋白質の分解活性の測定を行うことができる。その際に、核酸を適当なプロモーターの下流に連結することで、非ヒト動物の目的とする臓器や組織に選択的に発現させて測定に用いることも可能である。
　非ヒト動物の作製は、公知の手法に従って、例えば、動物由来の胚性幹(ES)細胞または人工多能性幹(iPS)細胞のゲノムに前記核酸を発現可能に導入したのち、該ESまたはiPS細胞を胚盤胞に導入した胚を仮親の子宮に移植し出産させてキメラ非ヒト動物さらに子孫動物を得ることによって行われる。
　このプローブ試薬の蛍光の測定法としては、蛍光蛋白質IとIIで互いの励起波長が大きく異なり、蛍光波長がほぼ等しい場合は、励起波長を切り替えて測定する2波長励起-1波長蛍光測光を行う。このような蛍光蛋白質の例としてはT-Sapphire(励起ピーク399nm，蛍光ピーク511nm)とEGFP(励起ピーク488nm，蛍光ピーク507nm)がある。また励起波長がほぼ等しく、蛍光波長が大きく異なる場合には、蛍光波長を切り替えて測定する1波長励起-2波長蛍光測光を行う。このような蛍光蛋白質の例としてはCerulean(励起ピーク433nm，蛍光ピーク475nm)とmKeima(励起ピーク440nm，蛍光ピーク620nm)がある。FRETを利用した測定の場合もこの1波長励起-2波長蛍光測光法となる。また、励起、蛍光波長とも大きく異なる場合には、これらをともに切り替えて測定を行う2波長励起-2波長蛍光測光を行う。このような蛍光蛋白質の例としては、Venus(励起ピーク515nm，蛍光ピーク528nm)とmCherry(励起ピーク587nm，蛍光ピーク610nm)がある。
　このようにいずれも2つの波長での蛍光測定が行えるため、これらの蛍光強度の比をもとめるレシオ法による測定が可能となる。レシオ法を行うことで、細胞内でのプローブ試薬の分布の違い、励起光の照明のむら、蛍光の退色などといった蛋白質の分解に依存しない蛍光強度の変化をキャンセルさせることができるため、より定量的な計測が可能となる。
　本発明のプローブ試薬を用いて単一細胞レベルでの測定を行うためには、蛍光顕微鏡に冷却CCDカメラなどの検出器を接続した顕微鏡用イメージングシステムが使用できる。測定方式に応じて、励起波長を切り替えるときには、光源の後にフィルタ切替装置やモノクロメータなどを接続する。2波長の蛍光をモニタするためには、検出器の前にフィルタ切替装置やイメージング用の2波長分光装置を接続する。また2波長の蛍光のモニタには、蛍光顕微鏡のフィルタとダイクロイックミラーに、使用する2つの蛍光蛋白質の波長特性に合ったデュアルバンドのものを使用し、これにカラーカメラを組み合わせて使用してもよい。この場合、デグロン蛋白質の分解活性が色の変化として画像化されるためその検出が容易になる。その他、顕微鏡用のイメージング装置としては、レーザー走査型共焦点顕微鏡や多光子励起顕微鏡なども使用できる。単一細胞レベルの解像度は必要とせず、多くの細胞からのデータを得たい場合は、蛍光分光光度計やプレートリーダー、フローサイトメトリなどでも測定が可能である。個体レベルでの測定を行うためには、暗箱を用いたマクロ用のイメージング装置が使用できる。
　本発明のプローブ試薬の応用面について、該試薬は、例えば次のように医療分野で使用できる。
　ユビキチン-プロテアソーム系で分解される蛋白質は数多く、それだけ多様な生命活動に関わっているといえる。この系の異常は多くの疾病の原因となる。ユビキチン-プロテアソーム系の異常が関与するとされる疾病としては、成人T細胞白血病，クローン病，各臓器の癌，関節リウマチ，色素性乾皮症，ファンコニ貧血，コケイン症候群，アルツハイマー病，パーキンソン病，筋萎縮性側索硬化症，ハンチントン舞踏病などが知られている。本発明のプローブ試薬では、デグロン蛋白質の部分を置き換えることで、これらの蛋白質に対して汎用的に使用できる。また、本発明のプローブ試薬は、疾病の原因あるいは疾病に関連する蛋白質をデグロン蛋白質とし、その分解活性を細胞や動物個体で測定することで、これらの疾病に対する治療法や治療薬剤の開発に貢献するものと期待される。
　したがって、本発明はさらに、前記のプローブ試薬、前記のベクター、あるいは前記の形質転換細胞を用いて、プロテアソーム活性を制御する候補物質の存在下で細胞におけるユビキチン-プロテアソーム系での該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病の治療剤をスクリーニングする方法を提供する。
　ユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病は、前記例示のような神経変性疾患、癌（もしくは、腫瘍）、虚血性疾患（例えば梗塞）、炎症性疾患、アレルギー性疾患などであり、このような異常は、プロテアソーム活性の制御異常に伴うものであり、例えば神経変性疾患ではプロテアソームの活性化剤が治療剤となりうるし、一方、癌や虚血性疾患（梗塞など）ではプロテアソームの阻害剤が治療剤となりうる（特表2002-541206,特表2001-511814,特表2008-525427など）。
　試験系において、本発明のプローブ試薬またはベクターと、細胞または形質転換細胞、特にユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する細胞と、候補物質とを接触させることによって、該細胞に含まれるユビキチン－プロテアソーム系によるプローブ蛋白質の分解活性を制御（すなわち、亢進または抑制（阻害））する物質を選択する。
　この系では、プローブ試薬蛋白質の分解活性は、例えば、蛍光蛋白質Iと蛍光蛋白質IIの蛍光強度の比の変化として測定することができる。
　本発明はさらに、前記のプローブ試薬またはベクターと、疾病患者からの細胞または細胞抽出液とを接触させて該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常と疾病との関連を調べる方法を提供する。
　このとき、対照として正常細胞または該細胞の細胞抽出液を使用する。本発明のプローブ試薬またはベクターを使用し対照の結果と対比することによって、ユビキチン－プロテアソーム系の異常と疾病とを関連づけることができる。このような疾病は、前記例示の疾病から選択することができる。
　前記方法では、プローブ試薬のデグロン蛋白質が疾病に関連する蛋白質、例えばCyclin (A, B, D, E)，p53，Aβ,p27，p21，p16，p15，p18，p19，p62, IκB，NF-κβ,c-fos/c-jun，c-myc，βcatenin，E2F-1，p130，cdc25，Tyrosine amino transferase，Polo-like kinase，Topoisomerase 1，Smad，Notch，Nrf2，HIF-1α, Gemininなどの公知の蛋白質である。
　以下の実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されないものとする。
［実施例１］
＜分解停止させるペプチドの探索＞
　目的のプローブ試薬の開発のために、p105から分解停止させる能力をもつペプチド配列を探索した。実験用のプローブ試薬として、蛍光蛋白質IにCyPet，蛍光蛋白質IIにYPet，デグロン蛋白質としてGeminin を使用したプローブ試薬を作製した(図2)。CyPetはCFPから派生した蛍光蛋白質で、励起波長ピークは435nm、蛍光波長ピークは477nmである。YPetはYFPから派生した蛍光蛋白質で、励起波長ピークは517nm、蛍光波長ピークは530nmである。このペアはCyPetをドナー、YPetをアクセプタとして効率よくFRETを起こすことが知られている。Gemininは細胞周期の進行を制御する因子の1つで、DNA複製のライセンス化を阻害する機能をもつ蛋白質である(Cell 1998; 93(11):1043-1053, Am. J. Pathol. 2002; 161(1):267-273)。その存在量は細胞周期の間で厳密に制御されており、S/G2/M期に発現量が増加し、G1期にはユビキチン-プロテアソーム系による分解が促進されることで消失する。この実験ではGemininの構造(例えばNM_015895 (human, 配列番号18及び19), NM_020567 (mouse))のうち、この分子の分解に必要な部分が含まれるN末端側の1-110番目のアミノ酸からなる部分を使用した(Geminin (1/110))。
　上記分子のcDNAをそれぞれPCRで増幅し、クローニングベクター、pBluescript II SK(+) (Stratagene)のマルチクローニングサイトの各制限酵素サイトに挿入することで連結し、プローブ試薬の遺伝子DNAを作製した。分解を停止させるためのペプチドの配列は、ヒト由来のp105(配列番号16及び17)の366-440番目のアミノ酸の領域から探索した。この領域にはGRRおよびprocessing pointが含まれる。
　図3にその模式図を示す(p105(m/n)とは、p105のN末端からmからn番目までのアミノ酸からなるペプチドであることを示す)。さらに、作製したプローブ試薬の遺伝子DNAをpBlueScriptベクターから制限酵素を使って切り出し、これを発現ベクター、CSII-EF-MCSのマルチクローニングサイトに挿入することで培養細胞に発現させるためのベクターを作製した。
　HeLa細胞を、10%ウシ胎児血清を含むダルベッコ改変イーグル培地で35mmφガラスボトムディッシュに培養した。作製したベクタープラスミドをトランスフェクション試薬、FuGENE(ロシュ・アプライド・サイエンス)と混合して培地に添加した。HeLa細胞をそのまま2日間CO2インキュベータ内で培養し、プローブ試薬を発現させるとともに、細胞周期を経験させた。
　蛍光顕微鏡で細胞を観察したところ、多くの細胞で核に明るい蛍光が観察された。これはGemininが核内で機能する蛋白質であり、分子内に核局在化シグナルを持つためプローブ試薬が核に選択的に取り込まれたことによる。Gemininは細胞周期に合わせ、ユビキチン-プロテアソーム系による分解の促進、抑制によりその量を周期的に変化させる。仮にGeminin の分解にともなうプローブ試薬の分解が、分解停止ペプチドによって止められるとすると、CyPetは分解から免れるため、細胞周期を経るたびに細胞内にCyPetが蓄積し、FRETの指標となる値であるCyPetを励起したときのYPet/CyPetの蛍光強度比が低下する。またGemininが分解されたプローブ試薬は核局在化シグナルを失うため、残ったCyPetは細胞質にも分布するようになる。これらの点に注目して細胞の蛍光イメージングを行い、分解停止能をもつペプチドをスクリーニングした。
　細胞の観察には倒立型顕微鏡(IX70，オリンパス)を使用し、3板式の冷却CCDカラーカメラ(ORCA3CCD，浜松ホトニクス)で蛍光画像を取得した。このカメラでは赤，緑，青の3つの波長領域の画像を同時に取得し、これらを合わせて表示することでカラーの像を観察することができる。また、各波長領域の画像の輝度を個別に計測することができる。440nmのバンドパスフィルタで励起し、460nmのロングパスフィルタで細胞の蛍光像を取得した。この設定ではCyPetを励起したときのCyPetとYPetの蛍光像を同時に観察できる。CyPetの蛍光はそのスペクトルの特性からおもに青と、一部が緑の領域に入る。またYPetの蛍光はそのほとんどが緑の領域に入るため、青の波長域の画像の輝度をCyPet、緑の波長域の画像の輝度をYPetの蛍光強度として両者の比をもとめることでFRETの測定を行った。また490 nmのバンドパスフィルタで励起し、510-560nmのバンドパスフィルタで蛍光を取得した。この設定ではYPetを直接励起したときの蛍光が緑の波長領域で観察できることから、YPetの存在および局在の確認を行った。画像の輝度の解析は画像解析装置AQUACOSMOS(浜松ホトニクス)で行った。
　図4に分解を停止させるためのペプチドとしてp105 (376/440)とp105 (405/440)を使用したプローブ試薬を発現させた細胞の観察例を示す。p105 (405/440)のプローブ試薬では観察されたすべての細胞で蛍光が核のみに分布していた。またCyPetを励起したときに青波長領域で微弱な蛍光のみが観察されたのに対し、緑波長領域では強い蛍光が観察されCyPetからYPetへの強いFRETが起きていることが示された。CyPetを励起したときのYPet/CyPetの蛍光強度の比は7.64±1.03(平均±標準偏差)であった。一方、p105 (376/440)のプローブ試薬では、CyPetを励起したときに青波長領域でも比較的強い蛍光が観察される細胞がみられた。このような細胞の蛍光強度比は1.87±0.17で、p105 (405/440)のプローブ試薬のものと比べ有意に低い値であり、FRETの解消が起きていることが示唆された(図5)。またp105 (376/440)のプローブ試薬では、CyPetによる励起での蛍光が細胞質でも観察された。YPetの直接励起では核のみに蛍光が観察されたことから、細胞質でみられる蛍光はCyPetに由来するものと思われた。これらの結果から、p105 (376/440)の配列はデグロン蛋白質の分解にともなうプローブ試薬の分解を停止できると判断した。
　p105 (376/440)と同様の結果は、分解を停止させるためのペプチドとしてp105 (382/440)，p105 (392/440)，p105 (376/434)，p105 (376/420)，p105 (376/409)を使用したプローブ試薬でも確認されたことから、GRRの全体またはその一部の配列とそのC末側の配列を含むペプチドに、蛍光蛋白質の手前で蛋白質の分解を効率よく停止させる能力をもつものがあることがわかった。またGRRのC末側のアミノ酸をCyPetのC末端付近の30個のアミノ酸の配列に置き換えたペプチド、p105 (376/404)＋30 a.a.でも同様の結果が得られたことから、GRRに付加されるアミノ酸鎖はp105由来のものでなくてもよいことがわかった。なお、30 a.a.は配列番号15に示した。これらの結果から、プローブ試薬の分解停止には、GRRとそのC末側、蛍光蛋白質IIとの間を隔てるスペーサーとしてのペプチド配列が必要であることがわかった。またGRRのN末側、蛍光蛋白質Iとの間は、p105 (366/440)の結果から、10個のアミノ酸が挿入されると分解が停止されないことがわかった。
　以下に、この実験で抽出されたプローブ試薬の分解を停止させる能力をもつ分解停止ペプチド＋スペーサーペプチドのアミノ酸配列、およびDNAの塩基配列を示す。
p105 (376/440)
ヒトp105の376-440番目のアミノ酸配列（配列番号1）
分解停止ペプチド：376-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-440番目
GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGYSFPHYGFPTYGGITFHPGTTKSNAGMKHGTMDTES
塩基配列（配列番号2）
GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTCCATCCTGGAACTACTAAATCTAATGCTGGGATGAAGCATGGAACCATGGACACTGAATCT
p105 (382/440)
ヒトp105の382-440番目のアミノ酸配列（配列番号3）
分解停止ペプチド：382-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-440番目
GAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGYSFPHYGFPTYGGITFHPGTTKSNAGMKHGTMDTES
塩基配列（配列番号4）
GGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTCCATCCTGGAACTACTAAATCTAATGCTGGGATGAAGCATGGAACCATGGACACTGAATCT
p105 (392/440)
ヒトp105の392-440番目のアミノ酸配列（配列番号5）
分解停止ペプチド：392-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-440番目
GGGGGGTGSTGPGYSFPHYGFPTYGGITFHPGTTKSNAGMKHGTMDTES
塩基配列（配列番号6）
GGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTCCATCCTGGAACTACTAAATCTAATGCTGGGATGAAGCATGGAACCATGGACACTGAATCT
p105 (376/434)
ヒトp105の376-434番目のアミノ酸配列（配列番号7）
分解停止ペプチド：376-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-434番目
GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGYSFPHYGFPTYGGITFHPGTTKSNAGMKHG
塩基配列（配列番号8）
GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTCCATCCTGGAACTACTAAATCTAATGCTGGGATGAAGCATGGA
p105 (376/420)
ヒトp105の376-420番目のアミノ酸配列（配列番号9）
分解停止ペプチド：376-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-420番目
GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGYSFPHYGFPTYGGITF
塩基配列（配列番号10）
GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACACTATGGATTTCCTACTTATGGTGGGATTACTTTC
p105 (376/409)
ヒトp105の376-409番目のアミノ酸配列（配列番号11）
分解停止ペプチド：376-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：405-409番目
GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGYSFPH
塩基配列（配列番号12）
GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGTATAGCTTCCCACAC
p105 (376/404)＋30 a.a. （配列番号13）
ヒトp105の376－404番目のアミノ酸配列に、CyPetのC末端付近の30個のアミノ酸を加えた配列
分解停止ペプチド：p105の376-404番目(下線部)，スペーサーペプチド：グルタミン酸＋フェニルアラニン＋CyPetの211-238番目のアミノ酸
GGGSGAGAGGGGMFGSGGGGGGTGSTGPGEFDPNEKRDHMVLLEFVTAAGITLGMDELY
塩基配列（配列番号14）
GGCGGTGGTAGTGGTGCCGGAGCTGGAGGCGGAGGCATGTTTGGTAGTGGCGGTGGAGGAGGGGGCACTGGAAGTACAGGTCCAGGGGAATTCGACCCCAACGAGAAGCGCGATCACATGGTCCTGCTGGAGTTCGTGACCGCCGCCGGGATCACTCTCGGCATGGACGAGCTGTAC
　Geminin (1/110)をデグロン蛋白質、分裂停止ペプチド＋スペーサーペプチドをp105 (376/440)としたプローブ試薬で、細胞周期の進行にともなう蛍光蛋白質Iの細胞質への放出は、蛍光蛋白質Iと蛍光蛋白質IIにそれぞれVenusとmCherry，AmCyanとmCherry，TurboGFPとTurboRFP，mAzami-GreenとmKusabira-Orangeを使用したものでも観察された。この結果から、このプローブ試薬の構成要素として多くの種類の蛍光蛋白質が適用できると考えられる。
［実施例２］
＜Geminin (1/110)をデグロン蛋白質としたプローブ試薬でのタイムラプスイメージング＞
　分解停止能が示されたペプチドp105 (376/440) (分解停止ペプチドp105(376/404)＋スペーサーペプチドp105(405/440))、および蛍光蛋白質I，IIとしてCyPet，YPetを、デグロン蛋白質としてGeminin (1/110)を使用したプローブ試薬を発現させたHeLa細胞でタイムラプスイメージングを行い、細胞周期にともなう蛍光の時間変化を測定した。
　測定はインキュベータ蛍光顕微鏡(LCV110，オリンパス)で行った。455nmのLEDによる励起で、CyPetの蛍光画像を460-510nmのバンドパスフィルタを通して、またYPetの蛍光画像を515-560nmのバンドパスフィルタを通して冷却CCDカメラで取得した。またYPetの直接励起による画像を、505nmのLEDによる励起で、528-555nmのバンドパスフィルタにより取得した。各画像は30分ごとに48時間取得した。輝度の解析は核の領域とそれ以外の細胞質の領域に分けて行い、CyPetを励起したときのYPet/CyPetの蛍光強度の比を測定した。
　図6に結果を示す。蛍光強度比の値は核、細胞質ともに細胞の分裂にともなって急速な低下がみられた。比の値は、核では徐々に回復したが、細胞質では低下した値が維持された。また、細胞分裂時のCyPetと直接励起でのYPetの蛍光画像を観察してみると、CyPetの蛍光は常に核、あるいは細胞質に観察されたが、YPetの蛍光は細胞分裂とともに急速に弱まり、その後核でゆるやかに回復してくる様子が観察された(図7)。これらの結果は、細胞周期の過程でのGemininの動態が、プローブ試薬の分解停止にともなう蛍光の変化としてとらえられたことを示している。すなわち、細胞分裂後のG1期にプローブ試薬のGeminin (1/110)はYPetをともなって分解されるが、分解停止ペプチドによりCyPetは分解されずに残るために蛍光強度比の値が低下する。その後、S/G2/M期にはGemininの分解が抑制され、核には新たに発現されたプローブ試薬が蓄積するため比の値が回復する。一方、細胞質にはプローブ試薬の限定的な分解によって生じたCyPetが放出されるため、細胞分裂に応じて蛍光強度比が低下するが、新たなプローブ試薬の蓄積は起きないために、比の値が低いまま維持されたと考えられる。
［実施例３］
＜IκBαをデグロン蛋白質としたプローブ試薬＞
　デグロン蛋白質をIκBαとして、その分解活性から転写因子NFκBの活性をモニタするためのプローブ試薬を作製した。IκBαは細胞質でNFκBと結合し、その核移行および転写活性を阻害している蛋白質である。細胞がNFκBを活性化させるシグナルを受けると、IκBキナーゼが活性化され、これがIκBαをリン酸化する。リン酸化を受けたIκBαはユビキチンリガーゼによりユビキチン化を受け、プロテアソームで分解される。これによりNFκBに対する抑制が解除され、核への移行、遺伝子の転写が活性化される。これまでに悪性腫瘍細胞や自己免疫疾患において、恒常的なNF-κBの活性化が報告されている。したがって、このような測定系はこれらの疾患の診断や治療薬の開発に応用できると考えられる。
　プローブ試薬の構成要素として、蛍光蛋白質IにCyPet，蛍光蛋白質IIにYPet，デグロン蛋白質として全長のIκBα，分解停止ペプチドとしてp105(376/404)，スペーサーペプチドとしてp105 (405/440)を使用した。上で述べた分解停止ペプチドを探索するためのプローブ試薬のデグロン蛋白質であるGeminin(1/110)をヒト又はマウス由来のIκBα(human: NM_020529, NM_003340又はNM_003339, mouse: AF112979)に置き換えることでプローブ試薬を作製した(図8)。
　Cos7細胞を、10%ウシ胎児血清を含むダルベッコ改変イーグル培地で35mmφガラスボトムディッシュに培養した。分解停止ペプチドを探索した実験と同様に、プローブ試薬の遺伝子DNAをトランスフェクションし、インキュベータ顕微鏡でイメージングを行った。画像は10分ごとに2時間取得した。イメージングを開始してから10分後に培地にNFκBを活性化させる薬剤であるTNF-αを20ng/mlの濃度となるように添加した。
　取得した画像のうち、CyPet励起でのCyPetの蛍光画像およびYPet励起でのYPetの蛍光画像の時間変化を図9に示す。視野に入った4個の細胞のうち1つの細胞(No.1)が応答を示し、YPetのみで蛍光強度の低下が見られた。またこれに伴いCyPetを励起したときのYPet/CyPetの蛍光強度比の低下も観察された(図10)。この結果は、TNF-α刺激によるIκBαの分解過程をこのプローブ試薬で蛍光の変化として可視化できたことを示している。
　本発明のプローブ試薬は、ユビキチン-プロテアソーム系の異常が原因の疾患に関連する蛋白質の分解活性を細胞や動物個体で測定することで、これらの疾患に対する治療法や薬剤の開発に寄与することができる。
配列番号13：合成ペプチド
配列番号14：合成ペプチドをコードするDNA
配列番号15：CyPet由来のペプチド
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (15)

  1. 　N末側からC末端側に向かって順番に、蛍光蛋白質I、蛋白質の分解を停止させるペプチド（分解停止ペプチド）、スペーサーペプチド、蛍光蛋白質II、および分解を受ける蛋白質のそれぞれのアミノ酸配列を含んでなるプローブ試薬であって、ここで該分解を受ける蛋白質がユビキチン－プロテアソーム系で分解される蛋白質であり、および、該プローブ試薬のC末端側から分解を受けるがその分解は分解停止ペプチドで停止することを特徴とするプローブ試薬。
  2. 　蛍光蛋白質Iおよび蛍光蛋白質IIは、励起波長、蛍光波長、または、励起波長と蛍光波長の両方が異なるものである、請求項１に記載のプローブ試薬。
  3. 　蛍光蛋白質Iおよび蛍光蛋白質IIはそれぞれ、蛍光エネルギー移動(FRET)でのドナーとアクセプタである、請求項１または２に記載のプローブ試薬。
  4. 　核局在化シグナルまたは核外搬出シグナルをさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のプローブ試薬。
  5. 　分解停止ぺプチドが、蛍光蛋白質Iとスペーサーの間に1個もしくは複数個存在する、請求項１～４のいずれか1項に記載のプローブ試薬。
  6. 　スペーサーペプチドは、分解停止ペプチドと蛍光蛋白質IIの間に距離をおくための１個以上のアミノ酸からなるペプチドである、請求項１～５のいずれか１項に記載のプローブ試薬。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のプローブ試薬をコードする核酸。
  8. 　請求項７に記載の核酸を発現可能に含むベクター。
  9. 　請求項８に記載のベクターを含む形質転換細胞。
  10. 　疾病細胞である、請求項９に記載の形質転換細胞。
  11. 　請求項1～６のいずれか1項に記載のプローブ試薬、請求項８に記載のベクター、あるいは請求項９または１０に記載の形質転換細胞を用いて、プロテアソーム活性を制御する候補物質の存在下で細胞におけるユビキチン-プロテアソーム系での該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病の治療剤をスクリーニングする方法。
  12. 　プローブ試薬蛋白質の分解活性を、蛍光蛋白質IとIIの蛍光強度の比の変化として測定する、請求項１１に記載の方法。
  13. 　細胞がユビキチン－プロテアソーム系の異常に関連する疾病細胞である、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 　請求項1～６のいずれか1項に記載のプローブ試薬または請求項８に記載のベクターと、疾病患者からの細胞または細胞抽出液とを接触させて該プローブ試薬蛋白質の分解活性を測定することを含む、ユビキチン－プロテアソーム系の異常と疾病との関連を調べる方法。
  15. 　プローブ試薬内の分解を受ける蛋白質（デグロン蛋白質）が疾病に関連する蛋白質である、請求項１１または１４に記載の方法。
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